Основные работы Виртанена связаны с изучением процессов производства и хранения кормов для скота

Он также изучал процессы фиксирования атмосферного азота растениями. Экспериментальным путем Виртанен доказал, что ухудшение качества силоса может быть в значительной степени замедлено или вовсе прекращено, если добавить в корм соляную и серную кислоты. Этот метод, названный АИВ-методом по инициалам ученого, был применён во многих европейских странах и — в несколько измененном виде — в США. В 1940-е годы в его лаборатории в Хельсинкском университете проводилась работа по изучению биохимии более сложных растений, которая привела к выделению многих аминокислот и уточнению их химической структуры.

Виртанен — лауреат Нобелевской премии по химии (1945) «за исследования и достижения в области сельского хозяйства и химии питательных веществ, особенно за метод консервации кормов».В Финляндии была выпущена почтовая марка, посвященная Виртанену. Кроме того, в честь Виртанена в 1979 году назван кратер на обратной стороне Луны.